实验报告2(三极管器件仿真)(共11页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上学生实验报告院别课程名称器件仿真与工艺综合设计实验班级实验二三极管器件仿真姓名实验时间学号指导教师成绩批改时间报 告 内 容一、实验目的和任务1、 掌握 BJT 基本结构原理，BJT 输出特性、输入特性； 2、 掌握 Silvaco TCAD 器件仿真器仿真设计流程及器件仿真器 Atlas 语法规则； 3、 分析 BJT 结构参数变化对器件主要电学特性的影响。二、实验原理1.BJT 的结构及其原理双极型晶体管是由两个方向相反的 PN 结构成的三端器件，主要有两种基本结构：PNP 型晶体管和 NPN 型晶体管。NPN 型晶体管的结构如图 1 所示。图中，位于中间的 P

2、区为基区，基区很薄，掺杂浓度很低；位于上层的 N 区是发射区，结面积小，掺杂浓度很高；位于下层的 N 区是集电区，结面积大；虽然发射区和集电区是同种类型的半导体，但是两个区的掺杂浓度明显不同，发射区的掺杂浓度远高于集电区，而集电区的面积则远大于发射区。PNP 型晶体管的结构与 NPN 型相似。其中间层为 N 区，上下两层分别为集电区和发射区；三个区的引出线依次是基极、集电极和发射极。晶体管不是两个 PN 结的简单结合，而是两个 PN 结共用一个极薄的 P 区（指NPN 型晶体管）或 N 区（指 PNP 型晶体管）作为基区，通过基区把两个 PN 结有机的结合成统一的整体。彼此间存在着相互联系和相

3、互影响，是晶体管具有完全不同于两个单独 PN 结的特性。2. BJT 的输出特性共发射极输出特性曲线描述是基极电流 为一常量时，集电极电流 与管压降 之间的函数关系在饱和区内，发射结和集电结均处于正向偏置。 主要随 增大而增大，对 的影响不明显，即当 增大时， 随之增大，但 增大不大。在饱和区，和 之间不再满足电流传输方程，即不能用放大区中的 来描述 和 的关系，三极管失去放大作用。在放大区内，发射结正向偏置，集电结反向偏置，各输出特性曲线近似为水平的直线，表示当 一定时， 的值基本上不随 而变化。此时表现出 对 的控制作用， 。三极管在放大电路中主要工作在这个区域中。一般将 的区域称为截止区

4、，由图可知， 也近似为零。在截止区，三极管的发射结和集电结都处于反向偏置状态。3. BJT 的输入特性当晶体管的集电极与发射极之间的电压 VCE 为某一固定值时，基极电压 VBE与基极电流 IB 间的关系曲线称为双极型晶体管的特性曲线如果将 VCE 固定在不同电压值条件下然后在调节 UBE 的同时测量不同 IB 值对应的 UBE 值，便可绘出晶体管的输入特性曲线当 U ce =0V 时，发射极与集电极短路，发射结与集电结均正偏，实际上是两 个二极管并联的正向特性曲线。当 ， 时，集电结已进 入反偏状态，开始收集载流子，且基区复合减少，特性曲线将向右稍微移动一些， I C /IB 增大。但 U

5、ce 再增加时，曲线右移很不明显。三、实验内容1.设计目标参数： 尺寸:N 型衬底（2um1um）； 结构:集电区(2um1um ，gauss 分布，峰值 1e18，峰值在 1um 处)； 基区（集电结结深 0.15um，gauss 分布，峰值浓度 1e18，峰值在 0.05um 处）； 发射区（发射结结深 0.05 um，gauss 分布，峰值浓度 5e19，峰值在 0um 处）。 2.根据设计目标画出器件结构图； 3.学习 Atlas 器件仿真语法规则，并设计器件； (1) 语句 1 仿真器调用命令语句 go。 调用 atlas 器件仿真器需要用到 go 语句： go atlas (2)

6、设置网格（mesh），建立了一个含有网格信息的 2 微米1 微米大小的区 域。 mesh x.m l=0 spacing=0.15 x.m l=0.8 spacing=0.15 x.m l=1.0 spacing=0.03 x.m l=1.5 spacing=0.12 x.m l=2.0 spacing=0.15 y.m l=0.0 spacing=0.006 y.m l=0.04 spacing=0.006 y.m l=0.06 spacing=0.005 y.m l=0.15 spacing=0.02 y.m l=0.30 spacing=0.02 y.m l=1.0 spacing=0.

7、12 (3) 区域定义语句 (region)，定义材料的位置。 region num=1 silicon (4) 电极定义语句(electrode)，定义三极管的接触电极。 electrode num=1 name=emitter left length=0.8 electrode num=2 name=base right length=0.5 y.max=0 electrode num=3 name=collector bottom (5) 掺杂定义语句(Doping)，是用来定义器件结构中的掺杂分布。 doping reg=1 uniform n.type conc=5e15 dopin

8、g reg=1 gauss n.type conc=1e18 peak=1.0 char=0.2 doping reg=1 gauss p.type conc=1e18 peak=0.05 junct=0.15 doping reg=1 gauss n.type conc=5e19 peak=0.0 junct=0.05 x.right=0.8 (6) 输出结构结果保存语句(save)。 save outf=bjtex04_0.str (7) 输出文件绘制语句(tonyplot)。tonyplot bjtex04_0.str 4.根据 Atlas 器件仿真语法规则获取器件特性 (1) 模型选择

9、语句(models，impact)。 models conmob fldmob consrh auger print (2) 接触设置语句(contact)。 contact name=emitter n.poly surf.rec (3) 命令执行语句（solve），solve是命令atlas在一个或多个偏压点（bias point） 进行求解的语句。 solve init (4)数值方法选择语句（method），用来设置求解方程或参数的数值方法 method newton autonr trap 。 (5)运行数据结果保存语句（log） ，输出结构结果保存语句 log 是用来将程 序运行后

10、所计算的所有结果数据保存到一个以 log为扩展名结尾的文件中的 一个语句。从 solve 语句中运算后所得到的结果都会保存在其中。 log outf= bjtex04_0.log (6)solve 语句,以一定的方式给 BJT 外加偏压。 solve vcollector=0.025 solve vcollector=0.1 solve vcollector=0.25 vstep=0.25 vfinal=2 name=collector solve vbase=0.025 solve vbase=0.1 solve vbase=0.2 solve vbase=0.3 vstep=0.05 vf

11、inal=1 name=base (7)输出文件绘制语句(tonyplot)。 tonyplot bjtex04_0.log (8)参数提取语句（extract）,根据 log 文件获得器件电学参数。 extract name=peak collector current max(curve(abs(v.base),abs(i.collecto r) extract name=peak gain max(i.collector/ i.base) 5.改变器件结构参数（BJT 各区掺杂浓度BJT 各区杂质分布BJT 各区杂质类 型等），分析结构参数变化对器件结构及电学参数影响。四、实验结果（一）

12、器件设计1、器件结构设计如图所示，定义npn晶体管的网络信息x为2.0，y为1.0，该区域块掺杂n型材料浓度为5e15，设置为均匀分布；n型材料浓度为1e18，设置为高斯分布，峰值为1.0；p型材料浓度为1e18，设置为高斯分布，峰值为0.05，结深为0.15；n型材料浓度为5e19，设置为高斯分布，峰值为0，结深为0.05，在x的右边区域0.8处；p型材料浓度为5e19，设置为高斯分布，峰值为0，在x的左边区域0.8处，从而形成了该结构，包括N+区域，P+区域，P区域，N-区域，N区域图一 器件结构2、网格调用及设计#调用atlas器件仿真器go atlas#网络mesh初始化Mesh#定义

13、x方向网格信息x.m l=0 spacing=0.15x.m l=0.8 spacing=0.15x.m l=1.0 spacing=0.03x.m l=1.5 spacing=0.12x.m l=2.0 spacing=0.15#定义y方向网格信息y.m l=0.0 spacing=0.006y.m l=0.04 spacing=0.006y.m l=0.06 spacing=0.005y.m l=0.15 spacing=0.02y.m l=0.30 spacing=0.02y.m l=1.0 spacing=0.12#定义区域信息region num=1 silicon#定义电极信息el

14、ectrode num=1 name=emitter left length=0.8electrode num=2 name=base right length=0.5 y.max=0electrode num=3 name=collector bottom#该区域块掺杂n型材料浓度为5e15，设置为均匀分布doping reg=1 uniform n.type conc=5e15# n型材料浓度为1e18，设置为高斯分布，峰值为1.0doping reg=1 gauss n.type conc=1e18 peak=1.0 char=0.2# p型材料浓度为1e18，设置为高斯分布，峰值为0.

15、05，结深为0.15doping reg=1 gauss p.type conc=1e18 peak=0.05 junct=0.15# n型材料浓度为5e19，设置为高斯分布，峰值为0，结深为0.05，在x的右边区域0.8处doping reg=1 gauss n.type conc=5e19 peak=0.0 junct=0.05 x.right=0.8# p型材料浓度为5e19，设置为高斯分布，峰值为0，在x的左边区域0.8处doping reg=1 gauss p.type conc=5e19 peak=0.0 char=0.08 x.left=1.5#set bipolar model

16、s#设置BJT仿真所需要用到的物理模型models conmob fldmob consrh auger print#设置接触类型contact name=emitter n.poly surf.rec#求解初始化solve init#保存结构信息文件save outf=bjtex04_0.str#用tonyplot绘图示意结构文件tonyplot bjtex04_0.str -set bjtex04_0.set（二） 对比分析 表 3-1发射区掺杂浓度不变，改变基区掺杂浓度浓度（cm-3）器件结构与杂质分布图输出曲线1e161e171e181e19表3-2在不同基区掺杂浓度下的参数浓度（cm

17、）最大集电极电流(mA)电流放大系数1e161.18576237.1521e171.13197226.3951e180.133.8191e190.11.5971实验结论：由表可知，在发射区掺杂浓度不变，改变基区掺杂浓度下，当基区掺杂浓度逐渐增大，最大集电极电流逐渐减小，电流放大系数减小。表3-3基区掺杂浓度、基区宽度不变，改变发射区掺杂浓度浓度（cm-3）器件结构与杂质分布图输出曲线5e185e195e205e21表3-4在不同发射区掺杂浓度下的参数浓度（cm）最大集电极电流(mA)电流放大系数5e180.65.34565e190.133.8195e200.292.6135e210.402.6

18、78实验结论：由表可知，在基区掺杂浓度、基区宽度不变，改变发射区掺杂浓度下，当发射区掺杂浓度逐渐增大，最大集电极电流逐渐增大，电流放大系数增大。表3-5发射区掺杂浓度不变，改变基区宽度宽度（um）器件结构与杂质分布图输出曲线0.060.080.100.120.14表3-6在不同基区宽度下的参数宽度（um）最大集电极电流(mA)电流放大系数0.060.179.8210.080.154.4670.100.133.8190.120.116.7670.140.102.678实验结论：由表可知，在发射区掺杂浓度不变，改变基区宽度下，当基区宽度逐渐变宽，最大集电极电流逐渐减小，电流放大系数减小。专心-专注-专业